基于FPGA 的嵌入式系统程序开发实现对AＲM 接口通信控制模块、芯片驱动模块的程序设计

摘要: 数字存储示波器采用AＲM 与FPGA 双处理器结合的嵌入式系统设计方案，重点介绍在FPGA 中如何实现对外围芯片的通信与驱动，采用VHDL 语言，以逐层描述的设计模式，分成AＲM 接口通信控制模块和外围芯片驱动功能模块，整个设计主要负责接收AＲM 的控制指令，根据其指令要求，发送控制命令到其它芯片驱动功能模块，协调整个数据采样过程，确保数据按照如采样率、采样方式、触发方式等参数设置要求进行采样，确保采样数据的可靠性。

数字存储示波器作为测试技术的重要工具，被广泛应用于各个领域，并逐步取代传统模拟示波器。其采样数据是波形运算和分析的基础，直接影响到整个数字存储示波器的准确性［1］。从这点出来，提出采用现场可编程逻辑器件( FPGA) 作为数字存储示波器采样控制系统的核心，从芯片间有效协助的角度，基于FPGA 设计AＲM 接口通信控制模块和外围芯片驱动功能模块，以FPGA 为核心有效地组织其它芯片，共同完成数字存储示波器数据采样过程，确保数据按需求采样，有效地提高数字存储示波器的采样效率和数据的可靠性。

1 数字存储示波器的总体设计方案

数字存储示波采用双处理器( AＲM + FPGA) 的嵌入式系统设计方案［2］，AＲM 内嵌WINCE 操作系统，整个采样系统主要在FPGA 里完成，从功能的角度分成采样信息处理子系统与采样控制子系统，本文着重介绍采样控制子系统的驱动部分，由AＲM 接口控制模块与芯片驱动模块组成。如图1 所示:

2 系统驱动模块设计

2. 1 AＲM 接口通信控制模块设计
AＲM 接口通信控制模块为主要的控制模块，如图2 所示。

加入这个模块而不直接链接两个芯片有以下两点原因:
1) AＲM 作为主控芯片的控制模块，引脚数量有限。如果AＲM 接口直接与FPGA 接口相连，会占用AＲM 过多的接口。
2) AＲM 和FPGA 相连的信号线由于存在各种干扰，有时会出现毛刺现象［3］，影响测量效果。

所以为了测量的稳定准确，需要加入FPGA 和AＲM 的接口模块。此模块是本设计的重点也是难点。其原理以下结合图2 来说明。

AＲM 接口通信控制模块左边为跟AＲM 链接的接口，分别为1 路时钟cmd_clk，3 路的命令线cmd_sel［2. . 0］，8 路数据线cmd_data［7. . 0］。右边为FPGA 响应的相关接口，在此不作一一讲述，下面主要讲术FPGA 与AＲM 之间的通信协议。
cmd_clk 为1 位输出接口，是AＲM 与FPGA 的同步时钟，用作同步通信。
cmd_sel［2. . 0］为3 位输出接口，用作设置cmd_data［7. . 0］的模式选择。
cmd_data［7. . 0］为8 位输出接口，是AＲM 发送到FPGA 的命令或数据。

功能实现方面采用了VHDL 语言［4］，以文本输入作为设计输入，主要运用CASE 与PＲOCESS 语句，部分程序如下所示。
PＲOCESS( cmd_clk， cmd_sel) / /进程，对cmd_clk 与cmd_sel 进行变化捕捉。
BEGIN / /进程开始。
IF cmd_clk＇EVENT AND cmd_clk = ＇1＇ THEN / /捕捉时钟信号上升沿触发。
IF cmd_sel( 2) = ＇1＇ THEN / / cmd_sel( 2) = ＇1＇时， cmd_data［7. . 0］的输出为数据模式
r_add_add ＜ = cmd_data; / /数据赋值
ELSE / / cmd_sel( 2) = ＇0＇时， cmd_data［7. . 0］的输出为命令模式
CASE r_add_add IS / /命令查询
WHEN X"00" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_A( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_A( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ;
END IF;

WHEN X"01" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_B( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_B( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
WHEN X"02" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_C( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_C( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
WHEN X"03" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_D( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_D( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
……/ /省略
WHEN X"08" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_HC74_DAT_DATA( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_HC74_DAT_DATA( 15 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "010" THEN r_HC74_DAT_DATA( 23 DOWNTO 16) ＜ = cmd_data; END IF;
/ / cmd_sel［2. . 0］的后两位作为数据位数的选择，这里可选为8 位、16 位、24 位。
……/ /省略
WHEN OTHEＲS = ＞ r_X9313_DATA ＜ = cmd_data( 4 DOWNTO 0) ;
END CASE;
END IF;
END IF;
END PＲOCESS;P